基于串联同步开关电感的高效压电能俘获电路设计

提出了一种高效的自供电串联同步开关电感(ESPS-SSHI)电路,ESPS-SSHI电路通过简化无源的正/负峰值检测电路来检测压电元件开路电压的正、负极值,不但降低了电路的能耗,而且减少了压电元件达到峰值时与开关动作时刻的相位差,从而提高了能量提取的效率。LTspice仿真和实验验证表明:设计的电路最大输出功率可提高至标准能量俘获(SEH)电路的4. 5倍。

一种适用于强耦合压电能量采集器的非对称电压接口电路

在弱耦合压电能量采集系统中,串联同步开关采集接口电路(Series Synchronous Switch Harvesting Interface Circuit,S-SSHI)、并联同步开关采集接口电路(Parallel Synchronous Switch Harvesting Interface Circuit,P-SSHI)、同步电荷提取接口电路(Synchronous Charge Extraction Interface Circuit,SECE)比全波整流接口电路(Full-Wave Rectifier Bridge,FB)能够获得更大的输出电压和俘能功率。在强耦合系统下,S-SSHI、P-SSHI、SECE接口电路对输出电压的增益效果并不明显。为解决该问题,文中提出了一种非对称电压接口电路。该电路由单个电压检测开关和全波整流桥组成,当充电电容电压接近压电能量采集器(Piezoelectric Energy Harvester,PEH)的开路电压时,PEH的电压开始偏置。在偏置电压作用下,非对称电压接口电路的最大输出电压高于FB,因此非对称电压接口电路可提高俘获能量。非对称电压接口电路的仿真结果和实验结果一致。非对称电压接口电路在强耦合实验下的俘能能量为0.532 J,与FB相比,其俘获能量提高了147%,与其他改进接口电路相比,其俘获能量提高了75%。

基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获电路设计

串联同步开关电感(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率高整流电压范围窄,而同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路则输出功率低整流电压范围宽。提出了一种基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获接口电路,以实现整流器峰值输出功率和最佳整流电压范围之间的平衡。所提出的电路去除了整流桥结构,而采用简单的无源峰值检测器设计,且可以在任意相位差(0~2π)下从多个压电换能器中提取能量。仿真和实验结果表明,所提出的电路具有较高的输出功率和较宽的整流电压范围,与多输入全桥整流器相比,最大输出功率提升了3.04倍。

基于FNOV-MPPT的多压电输入无整流桥的能量采集电路的研究

环境能量俘获中压电振动能量采集的接口电路设计已成为近几年研究的热点之一。串联同步开关电感(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)接口电路是一种常用的能量采集接口电路。只有当负载阻抗与压电元件(Piezoelectric Energy,PZT)输出阻抗匹配时,才能获得最大能量转换效率。针对以上问题,提出了一种无分时开路电压法的最大功率跟踪(Fractional Normal-Operation Voltage Maximum Power Point Tracking,FNOV-MPPT)控制电路用于S-SSHI接口电路的最大功率跟踪,与传统的分时开路电压法相比,无需断开PZT与负载端的连接,在S-SSHI接口电路正常工作期间进行最大功率跟踪,其效率最高可达97%。采用的极值检测电路只用四个三极管和一个检测电容,降低了电路功耗。同时本文所提出的电路具有很好的扩展性,可以通过一个FNOV-MPPT控制电路的方式进行多PZT能量同时采集。

基于S-SSHI和SECE混合的自供电能量俘获电路

为解决现有压电能量俘获电路效率低、开关辅助电路结构复杂且能耗高等问题,基于串联同步开关电感(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率峰值高和同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路负载范围宽的优点,提出一种具有自供电功能的能量俘获电路。为实现SSSHI电路和SECE电路混合,基于二者开关动作均在压电元件开路电压的极值点,提出了正极值点电压翻转、负极值点电荷提取的策略;设计了两个非对称无源正/负峰值检测电路检测正/负极值,使正/负半周期的工作模式分别为S-SSHI和SECE,从而达到输出功率和负载范围的平衡。通过仿真建模研究所提电路的可行性,验证了所提电路俘能性能优越,输出功率峰值可达SEH电路的4倍,同时具有较宽的负载范围。